Gelpermeationschromatographie (Hochtemperatur, bis 200 °C)

Die Gelpermeationschromatographie (GPC), auch als Größenausschlusschromatographie (SEC) bezeichnet, stellt in der Polymeranalytik eine Standardmethode zur Bestimmung der Verteilung der molaren Masse und daraus abgeleiteter Mittelwerte dar. Statt von „molarer Masse“ wird in diesem Zusammenhang häufig auch von der Molmasse oder dem Molekulargewicht gesprochen. Aus der Molmassenverteilung bzw. den mittleren Molmassen lassen sich Rückschlüsse auf zentrale Eigenschaften eines Polymers/Kunststoffs ziehen. Dazu zählen z.B. die Zähigkeit, die Schmelzeviskosität und die elastischen Eigenschaften der Schmelze. Durch den Vergleich der Verteilung der molaren Masse unterschiedlicher Proben lassen sich darüber hinaus Abbau- oder Vernetzungsprozesse nachvollziehen. Die GPC ist damit eine der wichtigsten Charakterisierungsmethoden für Polymere.

Da es sich bei der GPC um eine flüssigchromatographische Methode handelt ist es unabdingbar, eine Probe für die Untersuchung aufzulösen. Je nach Polymer kommen hier verschiedene Lösungsmittel in Frage. Für die weit verbreiteten Polyolefine (Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), …) ist jedoch bekannt, dass diese bei Raumtemperatur unlöslich sind. Erst bei Temperaturen >> 100 °C ist es üblicherweise möglich diese in Lösung zu bringen. GPC-Untersuchungen an Polyolefinen müssen daher auch bei Temperaturen von ca. 140 – 160 °C in speziellen Lösungsmitteln durchgeführt werden. Hierzu sind Geräte notwendig, die die genannten Temperaturen bei allen Untersuchungsschritten (von der Probeninjektion über die Trennung bis zur Detektion) erreichen.

Erweitertes Informationsspektrum - Detektionsmöglichkeiten

Durch die Verwendung spezifischer Detektoren kann die Hochtemperatur-GPC zusätzlich zu Molmassenverteilungen/Mittelwerten noch weitere Informationen liefern. Verbreitet ist vor allem die Verwendung von Infrarot-Detektoren (IR-Detektoren). Diese liefern zusätzliche Informationen zur Zusammensetzung in Abhängigkeit von der Molmasse, vor allem zu Kurzkettenverzweigungen (short-chain branching, SCB) aber auch zu polaren funktionalen Gruppen (z.B. Vinylacetat (VA)). Infomationen zu Langkettenverzweigungen (long-chain branching, LCB) liefert ein Vielwinkellichtstreudetektor (multi angle light scattering detector, MALS).

Völlig neu ist die Option die Hochtemperatur-GPC mit einem UV-Detektor zu koppeln. Dieser liefert Informationen zu ungesättigten funktionalen Gruppen (Doppelbindungen), zum Beispiel in Ethylen-Propylen-Dien-Copolymeren (EPDM). Darüber hinaus können aber auch weitere funktionale Gruppen, zum Beispiel Maleinanhydrid (MAH), chemisch so modifiziert werden, dass ihre Verteilung in Abhängigkeit der Molmasse mittels des Detektors bestimmt werden kann. Weitere Anwendungsgebiete ergeben sich im Bereich der Additivanalytik.

Anwendungsfelder

  • Aufklärung der Molmassenverteilung (auch Molekulargewichtsverteilung genannt) und daraus abgeleiteter Mittelwerte (Mz, Mw, Mn, Ð)
  • Schadensanalytik auf molekularer Ebene
  • Untersuchung von Batchvariationen und Chargeneffekten
  • Bestimmung von Verzweigungen/Zusammensetzung (inklusive Postreaktormodifikationen) als Funktion der Molmasse

Veröffentlichungen:
 

  • J. H. Arndt, T. Macko, J. Vanderfeesten, H. Verhoogt, R. Brüll, Characterizing graft distribution in maleic anhydride grafted polyethylene – GPC with IR and UV-detection, J. Chrom. A 1714 (2024) 464557, DOI: 10.1016/j.chroma.2023.464557
  • J. H. Arndt, R. Brüll, T. Macko, S. Deshmukh, M. Monwar, Y. Yu, Low-Density Polyethylene – New insights into an old material under comparative studies using SEC-MALS, AF4-MALS, HT-HPLC and 2D-LC, Polymer 290 (2024) 126582, DOI: 10.1016/j.polymer.2023.126582
  • J. H. Arndt, S.S. Bhati, M. Ellwanger Cangussu, G. Geertz, H. Mohammadi, R. Brüll, Unraveling the comonomer distribution in ethylene – vinyl ester terpolymers through liquid chromatography with infrared detection, J. Chrom. A 1705 (2023) 464197, DOI: 10.1016/j.chroma.2023.464197
  • H. M. Aboelanin, S. Deshmukh, T. Macko, J. H. Arndt, S. Podzimek, R. Brüll, monitoring the Chemical Composition of Polyolefins along the molar mass axis with High-Temperature Size Exclusion Chromatography Coupled with an Infrared Detector (HT SEC-IR5), Macromol. Symp. 409 (2023) 2200174, DOI: 10.1002/masy.202200174
  • S. Deshmukh, J. H. Arndt, T. Macko, R. Brüll, Characterization of Unsaturated Polymers Using High-Temperature Size Exclusion Chromatography Coupled with Ultraviolet-Evaporative Light Scattering Dual Detection, Macromol. Symp. 409 (2023) 2200159, DOI: 10.1002/masy.202200159
  • S. Deshmukh, R. Brüll, T. Macko, J. H. Arndt, R. Bernado, S. Niessen, Characterization of ethylene-propylene-diene terpolymers using high-temperature size exclusion chromatography coupled with an ultraviolet detector, Polymer 242 (2022) 124585, DOI: 10.1016/j.polymer.2022.124585
  • R. Brüll, J. H. Arndt, Moderne Polyolefinanalytik – Entwicklungen im Bereich der Flüssigchromatografie, GIT Laborfachzeitschrift 11 (2021) S. 31, https://analyticalscience.wiley.com/do/10.1002/was.00050252/